EP2483754B1 - Automatisierungssystem und verfahren zum betrieb eines automatisierungssystems - Google Patents

Automatisierungssystem und verfahren zum betrieb eines automatisierungssystems Download PDF

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EP2483754B1
EP2483754B1 EP10763659.9A EP10763659A EP2483754B1 EP 2483754 B1 EP2483754 B1 EP 2483754B1 EP 10763659 A EP10763659 A EP 10763659A EP 2483754 B1 EP2483754 B1 EP 2483754B1
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EP
European Patent Office
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node
energy
nodes
communication
automation system
Prior art date
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EP10763659.9A
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French (fr)
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EP2483754A1 (de
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Andreas Uhl
Karl Weber
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/407—Bus networks with decentralised control
    • H04L12/413—Bus networks with decentralised control with random access, e.g. carrier-sense multiple-access with collision detection [CSMA-CD]
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/25—Pc structure of the system
    • G05B2219/25289—Energy saving, brown out, standby, sleep, powerdown modus for microcomputer
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/25—Pc structure of the system
    • G05B2219/25291—Set module, component to sleep if no event or no other module needs it

Definitions

  • An automation system has, for example, a programmable logic controller (PLC / PLC) and / or a power converter and / or a motion control and / or a sensor and / or an actuator, etc. These are examples of elements of the automation system. Elements of the automation system are connected to one another by means of a communication network, these forming communication nodes.
  • PLC / PLC programmable logic controller
  • An object of the present invention is to develop an automation system which saves energy or advantageously distributes energy in the system.
  • the switch receives a notification from an uninterruptible power supply (UPS) and selectively powers one or more devices powered by the switch in response to receiving the notification.
  • UPS uninterruptible power supply
  • Selectively providing power to one or more of the devices may include providing power to only a subset of the devices, providing a different amount of power to different of the devices, or providing power for different times to different devices.
  • the switch communicates with a remote device in response to receiving the notification and causes the remote device to activate at least one energy saving function.
  • an electrical device with a switchable power supply device is known. This is characterized in that the power supply device, caused by an operating action or by a device-internal control process, can be switched from a hard-off mode to an on-mode and from the on-mode to the hard-off mode, the electrical device is set up to operate a control device provided for this purpose in hard-off mode independently of a power supply network.
  • the task is solved by means of a method or by means of an automation system according to one of claims 1 to 9.
  • a "wakeup on LAN” can be implemented (this is a wake-up functionality for a device which has a LAN connection, the wakeup for example meaning leaving a "sleep function".
  • the "wakeup" of a device can, for example by means of a standby functionality.
  • the automation system having a communication network, the communication network having a plurality of nodes, a first node being connected to a second node for data purposes, the first node activates and / or deactivates the second node ,
  • the automation system has, for example, a programmable logic controller (PLC), a power converter, a motion controller, a human-machine interface, etc. These parts of the automation system can be linked to one another in terms of data technology by means of the communication network.
  • the programmable logic controller (PLC), the power converter, the motion control, the human-machine interface and the like can be considered as nodes of the communication network.
  • a first node can now activate or deactivate a second node, the size of the network can be actively influenced.
  • the first node supplies communication electronics of the second node with electrical energy.
  • the first node can thus influence whether the communication of the second node is active. Data can only receive or send if the communication electronics of the second node are supplied with energy. If the communication electronics of the second node is activated by the first node, the second node can receive a switch-on signal, for example. After the second node has been operated, it can receive a switch-off signal, for example, when the function of the second node is no longer required. After the second node has switched off after receiving the switch-off signal, the first node can power the communication electronics of the second node e.g. interrupt.
  • the communication electronics of the second node are supplied with electrical energy by the first node for a limited time.
  • This energy supply the first node replaces an energy supply for the second node.
  • An energy source of the second node takes over the energy supply for the communication electronics of the second node.
  • the energy supply is taken over by the second node itself.
  • the communication network has a first strand and a second strand, the first node being part of the first strand, the second node being part of the second strand, the first node being an activation and / or a deactivation of the second Affects nodes, wherein in particular the first node supplies communication electronics or a switch of the second node with electrical energy.
  • This allows nodes of different strands to influence each other. A rigid network structure with regard to the activation and deactivation of nodes is broken up.
  • the activation and / or deactivation of the second node by the first node relates to a standby functionality of the second node.
  • the second node can advantageously be operated in a standby function in such a way that the second node does not consume any electrical energy.
  • the first node can wake the second node by supplying energy via the first node.
  • the activation and / or deactivation is command-controlled.
  • the command can, for example, be transmitted to the first node by a higher-level control and / or regulation.
  • the first node then activates or deactivates the second node by activating or deactivating the energy supply for the second node.
  • a switch for supplying the second node with electrical energy is switched by means of the electrical energy of the first node.
  • This can have the advantage, for example, that the first node does not have to apply all of the energy required to operate the second node.
  • the first node can therefore only be used to initiate the energy supply or to decouple the energy of the second node.
  • a fourth node receives electrical energy from the second node, a third node being between the second node and the fourth node. This makes it possible to skip nodes that are actually arranged in a communication line downstream. In this way, the flexibility of the system can be increased.
  • electrical energy is transmitted from the first node to a further, in particular the second or fourth, node using an Ethernet cable.
  • the Ethernet cable is a cable that can be used for an Ethernet connection between two nodes.
  • the Ethernet cable has wires that serve as a power supply.
  • Such cores can also be integrated in cables which do not correspond to the Ethernet standard but can also be used for data transmission.
  • the communication network has a main line, a first secondary line and a second secondary line.
  • a node of a secondary line is advantageously also a node of the main line.
  • nodes are arranged in a main line and / or in a secondary line in an order which corresponds to a startup sequence. A sequential startup can sometimes lead to a slower system startup.
  • the second node is activated by means of an energy transfer from first node to the second node, the energy being carried out via an ethernet-compatible cable, the data link between the first node and the second node being made after and / or with the energy transmission.
  • nodes of the communication network of the automation system are activated in a specific order, the order being able to be changed, the change taking place in particular by means of a program change in a higher-level control and / or regulation.
  • An automation system has, for example, a large number of nodes, a first node being an energy source for a second node, the second node being connectable to a further energy source via a switch, the switch being controllable by means of the energy source of the first node, one Cable is provided between the first node and the second node, by means of which both electrical energy and data can be transmitted from the first node to the second node.
  • An automation system designed in this way can be used to carry out the described methods.
  • the representation according to FIG. 1 shows a possible embodiment of an automation system 60.
  • the automation system 60 has a server 1, a switch 3 and clients 4, 5 and 6.
  • the server 1 can be switched to a standby mode to save energy when the server is not needed.
  • an Ethernet card or another network card reports an interrupt that a telegram has been received.
  • the server can then exit its standby mode and is ready for further work.
  • This mechanism can be called "Wakeup on LAN" (WoL).
  • WiL WiL
  • a "Wakeup on LAN” functionality can also be implemented on a PC or controller. The method can imply that a certain basic functionality of the LAN connection is active.
  • the switch functionality must also be integrated.
  • the representation according to FIG 2 shows an automation system 60 which has a programmable logic controller (PLC) 7, a first I / O device 8 for output or input of data, a second I / O device 9 for output or input of data and an operating device 10 , A relatively flat network is shown.
  • the devices 7, 8, 9 and 10 are participants in a fieldbus 64.
  • the fieldbus 64 represents a communication network.
  • Each device contains a two-port switch in order to continue the line. For operation, it must be ensured that each active peripheral device has a permanent connection to the PLC 7. This is just an example, the real structure depends on the system conditions. Several strands can be used with Profibus®. A repeater can be fanned out into different system segments.
  • the representation according to FIG 3 illustrates a structure of a communication network of an automation system 60.
  • Several elements 12, 18 and 24 of a machine which represent nodes of the communication network, are connected to one another by a main line 11.
  • Segments 13-16, 19-21 and 25-27 which also represent nodes of the communication network, do not themselves belong to the main line 11.
  • These segments 13-16, 19-21 and 25-27 can, for example, be switched off manually.
  • the nodes 13-16, 19-21 and 25-27 form according to FIG 3 three minor strands 28-30.
  • the nodes are connected to one another via communication links 31. Examples of communication connections are: an Ethernet cable, a fieldbus cable, etc.
  • a first secondary line 28 has nodes 13-16.
  • a second secondary line 29 has nodes 19-21.
  • a third branch line 30 has nodes 25-27.
  • the representation according to FIG 4 illustrates a structure of a communication network of an automation system 60.
  • Several elements 32, 18 and 24 of a machine which represent nodes of the communication network, are connected to one another by a main line 11.
  • the nodes 33-36 are coupled to one another in such a way that a node 32 provides electrical energy for another node 33.
  • node 32 has an electrical power supply (PS) for node 33.
  • the node 33 has an electrical power supply for the node 34.
  • the node 34 has an electrical power supply for the node 35.
  • the node 35 has an electrical power supply for the node 36. This is shown graphically by an arrow and a circle 38.
  • the nodes 18-21 and 24-27 could be designed accordingly.
  • the main branch 11 after FIG 4 in addition to nodes 32, 18 and 24 also has node 66.
  • the node 66 represents, for example, a higher-level control and / or regulation.
  • an automation system or a corresponding system can advantageously be structured such that the relevant nodes are arranged in the correct order in one branch. This means that if a first node is required for the startup of a second node, the first node should be arranged in front of the second node.
  • a node supplies the (communication) electronics of its neighboring node, one node after the other can be "woken up” and put into operation.
  • An inrush current can also be reduced by such a forced sequential startup. It can be switched on or off the power supply is command-controlled with respect to a neighboring node. This means that a subsystem can be shut down, for example, in certain operating situations.
  • the representation according to FIG 5 shows a further automation system 60.
  • the automation system has automation devices 41, 44 and 51, these being nodes of a communication network.
  • the automation devices 41, 44 and 51 are supplied with electrical energy via power lines 40.
  • the automation devices 41, 44 and 51 have switches 62 for switching the power supply on and off.
  • a relay 43 for actuating the switch 62 is shown in the automation device 44.
  • the relay 43 can be addressed via an energy path 42.
  • the energy path 42 is looped through the automation device 41.
  • the automation device 44 has a voltage supply 67, which can be connected to a power line 40 via the switch 62.
  • the voltage supply 67 supplies components such as a communication processor 47 or a data switch 48 with electrical energy.
  • the automation device also has the following components: a processor 45 for processing application commands, a hardware and / or software for energy management 46, modules with the MAC address (MAC PHY) 49 and a large number of diodes.
  • the automation devices also have data communication lines 65 and power lines 40.
  • the automation device 41 is connected to the automation device 44 via a communication cable 68.
  • the automation device 44 can also be supplied with electrical energy by means of this communication cable 68, which is, for example, an Ethernet cable.
  • Advantageous "Zero power standby" can also be implemented for an Ethernet-based automation system. This enables activation / waking up when the automation device is completely switched off.
  • Ethernet ports are each supplemented by a PoE front end.
  • the PoE front end can both receive energy from an external device 42 and convert it into power supply energy for its own communication part 47, 48, 49 and the energy management 46 of the automation device 44, that is to say energy from the device's own power supply, if desired by the energy management 46 of the automation device 44 Switch 67 (Power Supply) to the Ethernet cable in order to wake up external sleeping automation devices or to support their energy supply.
  • the wake-up energy can advantageously reach the sleeping device (the automation device 44) via each port.
  • the communication part, the energy management or another important component of the automation device can thus be supplied with electrical energy at the start.
  • the transmission of the wake-up energy is not necessarily required for the "wake-up" at the same time as the communication via this Ethernet link, methods other than PoE for energy transmission are also possible, the energy being first transmitted to an energy store in an automation device to be woken up (automation Device) or to turn on the power supply 41, after which the energy transfer is stopped and switched to communication.
  • an "emergency power concept" can also be implemented. Since all or a large number of Ethernet ports of the automation device 44 have the PoE functionality, in the event of a failure of the local power supply 67 of an automation device 44 (for example due to internal errors in the power supply 67 or due to an external interruption) the entire “faulty” automation device 44 or at least one communication part 47 48, 49 (also important for the existence of the network communication to other devices) by the neighboring automation devices 41, 51, which advantageously have a functional voltage supply via which PoE's are also supplied. In this way, the entire automation system or, in particular, the network communication can become considerably more robust against errors in power supply parts. In the case of ethernet-based systems, the failure of the voltage supply to the switches could also result in the failure of the communication to entire network sections, it being possible to make a contribution to increasing the availability of the overall system by supplying the automation device 44 with energy via communication connections.
  • An automation system can therefore have a multiplicity of automation devices 41, 44 and 51.
  • the automation devices are nodes of a communication system (network), with an automation device 44 of at least two further automation devices 41, 51 is supplied with electrical energy by means of communication interfaces 50.
  • Communication interfaces are, for example, connections for Ethernet cables, the automation device being, for example, a programmable logic controller (PLC), an I / O interface, or the like.
  • PLC programmable logic controller
  • I / O interface or the like.
  • An automation system networked with Ethernet technology can be put into a 100% powerless standby state, although the transport of information (wake-up call) via Ethernet normally requires an active communication infrastructure (Phy, Switch, MAC).
  • the "wake-up call” via the Ethernet does not need to have a communication telegram as described, the "wake-up call” advantageously consists of electrical energy, i.e. from an electrical energy supply for the automation device 44 to be awakened.
  • the electrical energy is advantageously temporarily transferred to the sleeping device 44 via the standard Ethernet cable, so that the device is awakened from a "zero power sleep".
  • the main energy supply 67 of the device can then be activated via a bootstrap method.
  • the woken up device then wakes up using the same procedure e.g. other other "sleeping" devices (automation devices).
  • Ethernet is only one example, other special communication methods and corresponding cables with separate power supply types or methods are also conceivable.
  • the PoE approach can also be used as an "emergency power supply" for at least the communication part of an automation device and thus improve the general availability of Ethernet-based automation systems.

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Description

  • Ein Automatisierungssystem weist beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS/PLC) und/oder einen Stromrichter und/oder eine Bewegungssteuerung und/oder einen Sensor und/oder einen Aktuator usw. auf. Dieses sind Beispiele für Elemente des Automatisierungssystems. Elemente des Automatisierungssystems sind mittels eines Kommunikationsnetzwerkes miteinander verbunden, wobei diese Kommunikationsknoten ausbilden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Automatisierungssystem auszubilden, welches Energie einspart, bzw. Energie im System vorteilhaft verteilt.
  • Aus US 2008/0294917 A1 ist ein System und Verfahren bekannt, das es einem PoE-fähigen Switch ermöglicht, selektiv eine oder mehrere entfernte Vorrichtungen mit Strom zu versorgen, wenn die dem Switch selbst zugeführte Energie begrenzt ist oder versagt. In einer Ausführungsform empfängt der Schalter eine Benachrichtigung von einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und versorgt als Reaktion auf den Empfang der Benachrichtigung selektiv eine oder mehrere vom Schalter gespeiste Vorrichtungen mit Strom. Das selektive Bereitstellen von Strom für eine oder mehrere der Vorrichtungen kann das Bereitstellen von Strom für nur eine Teilmenge der Vorrichtungen, das Bereitstellen einer unterschiedlichen Menge an Strom für verschiedene der Vorrichtungen oder das Bereitstellen von Strom für unterschiedliche Dauer für verschiedene Vorrichtungen beinhalten. In einer alternativen Ausführungsform kommuniziert der Schalter als Reaktion auf das Empfangen der Benachrichtigung mit einer entfernten Vorrichtung und bewirkt, dass die entfernte Vorrichtung mindestens eine Energiesparfunktion aktiviert.
  • Aus DE 10 2008 011 279 A1 ist ein elektrisches Gerät mit einer abschaltbaren Stromversorgungseinrichtung bekannt. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromversorgungseinrichtung, veranlasst durch eine Bedienungshandlung oder durch einen geräteinternen Steuervorgang, aus einem Hard-Off-Modus in einen On-Modus und von dem On-Modus in den Hard-Off-Modus versetzbar ist, wobei das elektrische Gerät dazu eingerichtet ist, eine dazu vorgesehene Steuereinrichtung im Hard-Off-Modus unabhängig von einem Stromversorgungsnetz zu betreiben. Eine Lösung der Aufgabe gelingt mittels eines Verfahrens bzw. mittels eines Automatisierungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  • Im Bereich der Automatisierung werden beispielsweise Ethernet basierte Datenbusse eingesetzt. Bei derartigen Datenkommunikationsanwendungen lässt sich ein "Wakeup on LAN" realisieren (diese ist eine Aufweckfunktionalität für ein Gerät, welches einen LAN-Anschluss aufweist, wobei das Aufwecken beispielsweise das Verlassen einer "Schlaf-Funktion" bedeutet. Das "Aufwecken" eines Gerätes kann beispielsweise mittels einer Standby-Funktionalität erreicht werden.
  • Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Automatisierungssystems, wobei das Automatisierungssystem ein Kommunikationsnetz aufweist, wobei das Kommunikationsnetz eine Vielzahl von Knoten aufweist, wobei ein erster Knoten mit einem zweiten Knoten datentechnisch verbunden ist, bewirkt der erste Knoten eine Aktivierung und/oder eine Deaktivierung des zweiten Knoten.
  • Das Automatisierungssystem weist beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), einen Stromrichter, eine Bewegungssteuerung, ein Mensch-Maschine-Interface, usw. auf. Diese Teile des Automatisierungssystems können mittels des Kommunikationsnetzes datentechnisch miteinander verknüpft sein. Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), der Stromrichter, die Bewegungssteuerung, das Mensch-Maschine-Interface und dergleichen können dabei als Knoten des Kommunikationsnetzes betrachtet werden.
  • Wenn nun ein erster Knoten einen zweiten Knoten aktivieren bzw. deaktivieren kann, so kann die Größe des Netzwerkes aktiv beeinflusst werden.
  • Je größer das Netzwerk ist, desto größer ist der potentielle Energieverbrauch. Wenn zumindest ein Teil des Netzwerkes deaktiviert werden kann, so lässt sich der Energieverbrauch senken.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens versorgt der erste Knoten eine Kommunikationselektronik des zweiten Knotens mit elektrischer Energie. Damit kann der erste Knoten beeinflussen, ob die Kommunikation des zweiten Knoten aktiv ist. Nur wenn die Kommunikationselektronik des zweiten Knoten mit Energie versorgt wird, kann dieser Daten empfangen oder senden. Wenn die Kommunikationselektronik des zweiten Knotens durch den ersten Knoten aktiviert ist, kann der zweite Knoten beispielsweise ein Einschaltsignal empfangen. Nach dem Betrieb des zweiten Knotens kann dieser beispielsweise dann ein Ausschaltsignal empfangen, wenn die Funktion des zweiten Knotens nicht mehr benötigt wird. Nachdem sich der zweite Knoten nach Empfang des Ausschaltsignals ausgeschalten hat, kann der erste Knoten die Energieversorgung der Kommunikationselektronik des zweiten Knotens z.B. unterbrechen.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Kommunikationselektronik des zweiten Knotens zeitlich begrenzt vom ersten Knoten mit elektrischer Energie versorgt. Diese Energieversorgung durch den ersten Knoten wird von einer Energieversorgung des zweiten Knotens abgelöst. Eine Energiequelle des zweiten Knotens übernimmt die Energieversorgung der Kommunikationselektronik des zweiten Knotens. Insbesondere dann, wenn der erste Knoten die Kommunikationselektronik des zweiten Knotens nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt, wird die Energieversorgung vom zweiten Knoten selbst übernommen.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens weist das Kommunikationsnetz einen ersten Strang und einen zweiten Strang auf, wobei der erste Knoten Teil des ersten Stranges ist, wobei der zweite Knoten Teil des zweiten Stranges ist, wobei der erste Knoten eine Aktivierung und/oder eine Deaktivierung den zweiten Knoten betreffend bewirkt, wobei insbesondere der erste Knoten eine Kommunikationselektronik oder einen Schalter des zweiten Knotens mit elektrischer Energie versorgt. Damit können sich Knoten unterschiedlicher Stränge gegenseitig beeinflussen. Eine starre Netzstruktur bezüglich der Aktivierung und Deaktivierung von Knoten ist so aufgebrochen.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens betrifft die Aktivierung und/oder Deaktivierung des zweiten Knotens durch den ersten Knoten eine Standby-Funktionalität des zweiten Knotens. Vorteilhaft kann dadurch beispielsweise der zweite Knoten in einer Standby-Funktion derart betrieben werden, dass der zweite Knoten keine elektrische Energie verbraucht. Der erste Knoten kann den zweiten Knoten durch die Energieversorgung über den ersten Knoten wecken.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Aktivierung und/oder Deaktivierung befehlsgesteuert. Der Befehl kann beispielsweise von einer übergeordneten Steuerung und/oder Regelung an den ersten Knoten übermittelt werden. Der erste Knoten aktiviert oder deaktiviert dann den zweiten Knoten mittels der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Energieversorgung für den zweiten Knoten.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird mittels der elektrischen Energie des ersten Knotens ein Schalter zur Versorgung des zweiten Knotens mit elektrischer Energie geschalten. Dies kann beispielsweise den Vorteil haben, dass der erste Knoten nicht die gesamte Energie die zum Betrieb des zweiten Knotens notwendig ist aufbringen muss. Der erste Knoten kann also nur zur Initiierung der Energieversorgung bzw. Energieabkoppelung des zweiten Knotens verwendet werden.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens erhält ein vierter Knoten elektrische Energie vom zweiten Knoten, wobei zwischen dem zweiten Knoten und dem vierten Knoten ein dritter Knoten ist. Dadurch lassen sich Knoten überspringen, welche eigentlich in einem Kommunikationsstrang nachfolgend angeordnet sind. Derart lässt sich die Flexibilität des Systems erhöhen.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird elektrische Energie vom ersten Knoten zu einem weiteren, insbesondere dem zweiten, bzw. vierten Knoten mittels eines Ethernet-Kabels übertragen. Das Ethernet-Kabel ist ein Kabel, welches für eine Ethernetverbindung zwischen zwei Knoten verwendet werden kann. Das Ethernet-Kabel weist dabei Adern auf, welche einer Stromversorgung dienen. Derartige Adern können auch in Kabel integriert sein, welche dem Ethernet-Standard nicht entsprechen jedoch auch zur Datenübertragung nutzbar sind.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens weist das Kommunikationsnetz einen Hauptstrang, einen ersten Nebenstrang und einen zweiten Nebenstrang aufweist. Dabei ist vorteilhaft ein Knoten eines Nebenstrangs auch ein Knoten des Hauptstrangs. Gemäß der beanspruchten Erfindung sind Knoten in einem Hauptstrang und/oder in einem Nebenstrang in einer Reihenfolge angeordnet, welche einer Hochlaufreihenfolge entspricht. Ein sequentieller Hochlauf kann unter Umständen zu einem langsameren Systemhochlauf führen.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Aktivierung des zweiten Knotens mittels einer Energieübertragung vom ersten Knoten zum zweiten Knoten, wobei die Energie über ein ethernetfähiges Kabel erfolgt, wobei die datentechnische Verbindung zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten nach und/oder mit der Energieübertragung erfolgt.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden Knoten des Kommunikationsnetzes des Automatisierungssystems in einer bestimmten Reihenfolge aktiviert, wobei die Reihenfolge abgeändert werden kann, wobei die Abänderung insbesondere mittels einer Programmänderung in einer übergeordneten Steuerung und/oder Regelung erfolgt.
  • Ein Automatisierungssystem weist beispielsweise eine Vielzahl von Knoten auf, wobei ein erster Knoten eine Energiequelle für einen zweiten Knoten ist, wobei der zweite Knoten über einen Schalter mit einer weiteren Energiequelle verbindbar ist, wobei mittels der Energiequelle des ersten Knotens der Schalter ansteuerbar ist, wobei ein Kabel zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten vorgesehen ist, mittels dessen sowohl elektrische Energie wie auch Daten vom ersten Knoten zum zweiten Knoten übertragen werden können.
  • Ein derart ausgebildetes Automatisierungssystem kann zur Durchführung der beschriebenen Verfahren herangezogen werden.
  • Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den dargestellten und beschriebenen Figuren 1 bis 5, wobei diese die Erfindung nicht einschränkend beschreiben. Dabei zeigt:
    • FIG 1
    ein Server-Client-Netzwerk;
    FIG 2
    ein Automatisierungsnetzwerk;
    FIG 3
    eine erste Netzwerkstruktur mit Teilsegmenten;
    FIG 4
    eine weitere Netzwerkstruktur mit Teilsegmenten; und
    FIG 5
    eine Automatisierungseinrichtung.
  • Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines Automatisierungssystems 60. Das Automatisierungssystem 60 weist einen Server 1, einen Switch 3 und Clients 4, 5 und 6 auf. Der Server 1 kann in einen Standby-Modus geschalten werden, um Energie zu sparen, wenn der Server nicht benötigt wird. Sobald ein Client 4, 5, 6 eine Anfrage an den Server 1 stellt, meldet eine Ethernet-Karte oder eine andere Netzwerk-Karte per Interrupt, dass ein Telegramm eingegangen ist. Der Server kann daraufhin seinen Standby-Modus beenden und ist zur Weiterarbeit bereit. Dieser Mechanismus kann als "Wakeup on LAN" (WoL) bezeichnet werden. Auch bei einem PC oder einer Steuerung kann eine "Wakeup on LAN" Funktionalität implementiert werden. Das Verfahren kann implizieren, dass eine gewisse Grundfunktionalität des LAN-Anschlusses aktiv ist. Darüber hinaus ist eine Integration der Switch-Funktionalität zu gewährleisten.
  • Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt ein Automatisierungssystem 60, welches eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 7, ein erstes I/O-Gerät 8 zur Ausgabe bzw. Eingabe von Daten, ein zweites I/O-Gerät 9 zur Ausgabe bzw. Eingabe von Daten und ein Bediengerät 10 aufweist. Es ist ein relativ flaches Netz dargestellt. Die Geräte 7, 8, 9 und 10 sind Teilnehmer in einem Feldbus 64. Der Feldbus 64 stellt ein Kommunikationsnetz dar. Dabei enthält jedes Gerät einen Zwei-Port-Switch, um die Linie fortzuführen. Für den Betrieb muss sichergestellt sein, dass jedes aktive Peripheriegerät über eine dauerhafte Verbindung zur SPS 7 verfügt. Hier handelt es sich nur um ein Beispiel, die reale Struktur richtet sich nach den Anlagengegebenheiten. Bei Profibus® können mehrere Stränge benutzt werden. Mittels Repeater ist eine Auffächerung in verschiedene Anlagensegmente möglich. Vorteilhaft ist eine Funktion vorzusehen, um Teilsegmente abzuschalten, da auch die Automatisierungsanlagen strukturiert aufgebaut sind. Das Abschalten von Teilsegmenten ist z.B. auch aus der Sicherheitstechnik heraus gefordert. Nur wenn eine Anlage strukturiert (als Linie mit Abzweigen) aufgebaut ist, kann diese Abschaltung sinnvoll erfolgen. Beim Abschalten eines Teilsegmentes aber auch zur Überbrückung von Fehlern kann man z.B. manuell eingreifen. Über Notaus-Funktionen kann dies teilweise angeboten werden.
  • Werden alle oder zu viele Komponenten eines Automatisierungssystems gleichzeitig hochgefahren, so kann dies unter Umständen kritisch sein, da hierbei viel Strom benötigt werden könnte, so dass eine Überdimensionierung der Stromversorgungen nötig ist.
  • Die Darstellung gemäß FIG 3 illustriert eine Struktur eines Kommunikationsnetzes eines Automatisierungssystems 60. Mehrere Elemente 12, 18 und 24 einer Maschine, welche Knoten des Kommunikationsnetzes darstellen, sind durch einen Hauptstrang 11 miteinander verbunden. Segmente 13-16, 19-21 und 25-27, welche auch Knoten des Kommunikationsnetzes darstellen, gehören nicht selbst zum Hauptstrang 11. Diese Segmente 13-16, 19-21 und 25-27 können beispielsweise manuell abgeschaltet werden. Die Knoten 13-16, 19-21 und 25-27 bilden gemäß FIG 3 drei Nebenstränge 28-30 aus. Die Knoten sind über Kommunikationsverbindungen 31 miteinander verbunden. Ein Beispiele für Kommunikationsverbindungen sind: ein Ethernetkabel, ein Feldbuskabel, usw.
  • Ein erster Nebenstrang 28 weist die Knoten 13-16 auf. Ein zweiter Nebenstrang 29 weist die Knoten 19-21 auf. Ein dritter Nebenstrang 30 weist die Knoten 25-27 auf. Mittels eines Knotens 12, 18 und 24 kann vorteilhaft ein gesamter Nebenstrang 28-30 automatisch zugeschaltet oder abgeschaltet werden, abhängig davon, ob eine Funktion des entsprechenden Stranges benötigt wird oder nicht. Gemäß der Anordnung kann beispielsweise ein kompletter Nebenstrang 28-30 aus dem Netz genommen oder in dieses integriert werden oder es können auch einzelne Knoten temporär abgeschaltet werden. Eine temporäre Abschaltung könnte z.B. auf Grund von Wartungsarbeiten an diesem Knoten notwendig sein. Ein Abschalten eines Linienknotens 12, 18 und 24 kann bei Ethernet mit integrierten Switches zum Ausfall nachfolgender (stromloser) Knoten führen. Ein redundantes System kann hier jedoch Abhilfe schaffen.
  • Die Darstellung gemäß FIG 4 illustriert eine Struktur eines Kommunikationsnetzes eines Automatisierungssystems 60. Mehrere Elemente 32, 18 und 24 einer Maschine, welche Knoten des Kommunikationsnetzes darstellen, sind durch einen Hauptstrang 11 miteinander verbunden. Segmente 33-36, 19-21 und 25-27, welche auch Knoten des Kommunikationsnetzes darstellen, gehören nicht selbst zum Hauptstrang 11. Die Knoten 33-36 sind derart miteinander gekoppelt, dass ein Knoten 32 elektrische Energie für einen anderen Knoten 33 bereithält. Nach dem Beispiel in FIG 4 weist der Knoten 32 eine elektrische Energieversorgung (Power Supply (PS)) für den Knoten 33 auf. Der Knoten 33 weist eine elektrische Energieversorgung für den Knoten 34 auf. Der Knoten 34 weist eine elektrische Energieversorgung für den Knoten 35 auf. Der Knoten 35 weist eine elektrische Energieversorgung für den Knoten 36 auf. Dies ist jeweils durch einen Pfeil und einen Kreis 38 graphisch dargestellt. Die Knoten 18-21 bzw. 24-27 könnten entsprechend ausgestaltet sein.
  • Der Hauptzweig 11 nach FIG 4 weist neben den Knoten 32, 18 und 24 auch den Knoten 66 auf. Der Knoten 66 stellt beispielsweise eine übergeordnete Steuerung und/oder Regelung dar.
  • In einer derartigen Struktur der gegenseitigen Energieversorgung der Knoten kann ein Automatisierungssystem bzw. eine entsprechende Anlage vorteilhaft so strukturiert werden, dass in einem Zweig die relevanten Knoten in möglichst richtiger Folge angeordnet werden. Das heißt, wenn ein erster Knoten für den Hochlauf eines zweiten Knotens erforderlich ist, so sollte der erste Knoten vor dem zweiten Knoten angeordnet sein.
  • Wenn ein Knoten die (Kommunikations-)Elektronik seines Nachbarknotens versorgt, kann ein Knoten nach dem anderen "Aufgeweckt" und in Betrieb genommen werden. Durch einen derartigen zwangsweise sequentiellen Hochlauf kann auch ein Inrush Strom reduziert werden. Dabei kann ein Einschalten bzw. Ausschalten der Stromversorgung in Bezug auf einen Nachbarknoten befehlsgesteuert erfolgen. Damit kann z.B. in gewissen Betriebssituationen eine Teilanlage stillgelegt werden.
  • Für den Fall, dass ein Knoten seinen eigenen Strom nicht aufbringen kann, könnte der benötigte Strom vom Vorgängerknoten genutzt werden. Dies müsste per Kommunikation mit dem Vorgängerknoten ausgehandelt werden. Damit wäre ein Ausfall der eigenen Stromquelle für einen Knoten überbrückbar.
  • Die Darstellung gemäß FIG 5 zeigt ein weiteres Automatisierungssystem 60. Das Automatisierungssystem weist Automatisierungseinrichtungen 41, 44 und 51 auf, wobei diese Knoten eines Kommunikationsnetzes sind. Die Automatisierungseinrichtungen 41, 44 und 51 werden über Stromleitungen 40 mit elektrischer Energie versorgt. Die Automatisierungseinrichtungen 41, 44 und 51 weisen Schalter 62 zum Zuschalten bzw. zum Abschalten der Energieversorgung auf. In der Automatisierungseinrichtung 44 ist ein Relais 43 zur Betätigung des Schalters 62 dargestellt. Über einen Energiepfad 42 kann das Relais 43 angesprochen werden. Der Energiepfad 42 ist über die Automatisierungseinrichtung 41 geschleift. Die Automatisierungseinrichtung 44 weist eine Spannungsversorgung 67 auf, welche über den Schalter 62 mit einer Stromleitung 40 verbunden werden kann. Die Spannungsversorgung 67 versorgt Komponenten wie einen Kommunikationsprozessor 47 oder einen Daten-Switch 48 mit elektrischer Energie. Neben diesen Komponenten weist die Automatisierungseinrichtung auch noch folgende Komponenten auf: einen Prozessor 45 zur Abarbeitung von Anwendungsbefehlen, eine HW und/oder SW zum Energiemanagement 46, Bausteine mit der MAC-Adresse (MAC PHY) 49 und eine Vielzahl von Dioden. Die Automatisierungseinrichtungen weist ferner Datenkommunikationsleitungen 65 und Stromleitungen 40 auf. Die Automatisierungseinrichtung 41 ist mit der Automatisierungseinrichtung 44 über ein Kommunikationskabel 68 verbunden. Mittels dieses Kommunikationskabels 68, welches beispielsweise ein Ethernetkabel ist, lässt sich die Automatisierungseinrichtung 44 auch mit elektrischer Energie versorgen. Vorteilhaft ist auch ein "Nullpower Standby" für ein ethernetbasierte Automatisierungssystem realisierbar. Damit ist eine Aktivierung/Aufwecken bei einer vollständigen Abschaltung Automatisierungseinrichtung erreichbar. Dies könnte auch bei Anwendungen z.B. im Bereich der Medizin Vorteile bringen, weil es mit diesem Verfahren möglich ist, ganze Anlagen- und Netzwerkteile komplett energiefrei zu schalten, so dass z.B. bei CT-Messungen Störquellen sicher ausgeschaltet werden können. Die Umsetzung der Idee erlaubt eine Verwendung auch bei anderen Busprotokollen und nicht nur bei Ethernet.
  • Gemäß der in FIG 5 dargestellten prinzipiellen Ausführungsform eines Automatisierungssystems bzw. einer Automatisierungseinrichtung 44 werden Ethernet Ports um jeweils ein PoE-Frontend ergänzt. Das PoE-Frontend kann sowohl Energie von einem externen Gerät 42 empfangen und in Stromversorgungsenergie für den eigenen Kommunikationsteil 47, 48, 49 und das Energiemanagement 46 der Automatisierungseinrichtung 44 umsetzen, also auch auf Wunsch des Energiemanagements 46 der Automatisierungseinrichtung 44, Energie aus der geräteeigenen Spannungsversorgung 67 (Power Supply) auf die Ethernet Leitung schalten, um damit externe schlafende Automatisierungseinrichtungen zu wecken oder deren Energieversorgung zu stützen. Die Weckenergie kann vorteilhaft über jeden Port in das schlafende Gerät (die Automatisierungseinrichtung 44) gelangen. Damit kann der Kommunikationsteil, das Energiemanagement oder eine andere wichtige Komponente der Automatisierungseinrichtung zum Start mit elektrischer Energie versorgt werden. Wenn nur sehr geringe Weckenergien übertragen werden sollen, ist vorteilhaft eine Verbindung von der externen Netzenergie zur internen (oder auch externen) Spannungsversorgung herzustellen (Bootstrap). Mit der Aktivierung der Spannungsversorgung steht dann ein ausreichendes Energiepotential für die Automatisierungseinrichtung 44 zur Verfügung, um deren internen Prozesse zu starten und/oder weitere externe Gerät zu wecken bzw. zu stützen.
  • Da für das "Wecken" die Übertragung der Weckenergie nicht notwendigerweise gleichzeitig mit der Kommunikation über diesen Ethernet Link erforderlich ist, sind auch andere Verfahren als PoE zur Energieübertragung möglich, wobei zunächst die Energie übertragen wird, um einen Energiespeicher in einer zu weckenden Automatisierungseinrichtung (Automation Device) zu füllen oder die Spannungsversorgung 41 einzuschalten, wobei danach die Energieübertragung gestoppt und auf Kommunikation umgeschaltet wird.
  • Bei der Verwendung von PoE's 50 kann ein "Notstromkonzept" mit realisiert werden. Da alle bzw. ein Vielzahl von Ethernet Ports der Automatisierungseinrichtung 44 die PoE-Funktionalität haben, kann bei einem Ausfall der lokalen Spannungsversorgung 67 einer Automatisierungseinrichtung 44 (z.B. durch internen Fehler in der Spannungsversorgung 67 oder durch externe Unterbrechung) die ganze "fehlerhafte" Automatisierungseinrichtung 44 oder zumindest ein Kommunikationsteil 47 48, 49 (für den Bestand der Netzwerkkommunikation auch zu anderen Devices bedeutend) durch die benachbarten Automatisierungseinrichtungen 41, 51, welche vorteilhafter Weise eine funktionsfähige Spannungsversorgung aufweisen, über die PoE's mit versorgt werden. Auf diese Weise kann das gesamte Automatisierungssystem bzw. insbesondere die Netzwerkkommunikation erheblich robuster werden gegenüber Fehlern in Spannungsversorgungsteilen. Bei ethernetbasierten Systemen könnte der Ausfall der Spannungsversorgung der Switches auch zum Ausfall der Kommunikation zu ganzen Netzabschnitten führen, wobei nun durch die Versorgung der Automatisierungseinrichtung 44 mit Energie über Kommunikationsanschlüsse ein Beitrag zur Erhöhung der Verfügbarkeit des Gesamtsystems geliefert werden kann.
  • Ein Automatisierungssystem kann also eine Vielzahl von Automatisierungseinrichtungen 41, 44 und 51 aufweisen. Die Automatisierungseinrichtungen sind Knoten eines Kommunikationssystems (-Netzwerkes), wobei eine Automatisierungseinrichtung 44 von zumindest zwei weiteren Automatisierungseinrichtungen 41, 51 mittels Kommunikationsschnittstellen 50 mit elektrischer Energie versorgt wird. Kommunikationsschnittstellen sich beispielsweise Anschlüsse für Ethernetkabel, wobei die Automatisierungseinrichtung beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine I/O-Schnittstelle, oder dergleichen ist. Vorteilhaft erfolgt die Energieversorgung über Kommunikationskabel bei Ausfall einer separaten Energieversorgung über Stromversorgungskabel, welche von einem Kommunikationskabel separiert sind.
  • Um ein Durchschalten der Energie bei Ausfall der lokalen Spannungsversorgung 67 sowie die Anbindung von lokalen Elementen, die dann an einer anderen Stromversorgungen hängen, zu verbessern, bietet sich die Verwendung von LVDS als Koppelungsphysik an.
  • Ein mit Ethernet Technologie vernetztes Automatisierungssystem kann in einen 100% leistungslosen Standby Zustand versetzt werden, obwohl der Transport von Information (Weckruf) über Ethernet normalerweise eine aktive Kommunikationsinfrastruktur (Phy, Switch, MAC) voraussetzt. Der "Weckruf" über das Ethernet braucht wie beschrieben kein Kommunikationstelegramm aufweisen, der "Weckruf" besteht vorteilhaft aus elektrischer Energie, d.h. aus einer elektrischen Energieversorgung für die zu weckende Automatisierungseinrichtung 44. Die elektrische Energie wird vorteilhaft temporär über das Standardethernetkabel zum schlafenden Gerät 44 übertragen, damit dieses aus einem "Zero Power Sleep" geweckt wird. Über ein Bootstrap Verfahren kann dann die Hauptenergieversorgung 67 des Gerätes aktiviert werden. Das geweckte Gerät weckt dann nach demselben Verfahren z.B. weitere andere "schlafende" Geräte (Automatisierungseinrichtungen) auf.
  • Mit den beschriebenen Lösungsansätzen kann "Power over Ethernet" energieeffizient ausgestaltet werden. Das Ethernet ist dabei nur ein Beispiel, auch andere spezielle Kommunikationsverfahren und entsprechende Kabel mit separaten Stromversorgungsarten oder Verfahren sind denkbar.
  • Neben der Energieeffizienz und der Verfügbarkeit kann man auch ein deutlich verbessertes Einschaltverhalten des Automatisierungssystems erzielen, da nicht alle Automatisierungseinrichtungen 41, 44 und 51 gleichzeitig hochlaufen können, sondern bedingt durch das "Aufweckverfahren" nur nacheinander. Weiterhin kann der PoE-Ansatz auch als "Notstromversorgung" für mindestens den Kommunikationsteil einer Automatisierungseinrichtung verwendet werden und damit die allgemeine Verfügbarkeit von Ethernet basierten Automatisierungssystemen verbessern. Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit, einzelne Knoten von der Netzenergie wegzuschalten, ohne die ganze Linie zu unterbrechen. Damit kann man die Verfügbarkeit von Ethernet deutlich verbessern, ohne zusätzlichen Kosten in Verkabelung, Projektierung und Ressourcen zu haben.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Automatisierungssystems (60), wobei das Automatisierungssystem (60) ein Kommunikationsnetz aufweist, wobei das Kommunikationsnetz eine Vielzahl von Knoten (1, 3-10, 12-16, 18-21, 24-27, 32-36, 41,44,51) aufweist, wobei ein erster Knoten (33,41) mit einem zweiten Knoten (34, 44) datentechnisch verbunden ist, wobei der erste Knoten (33, 41) eine Aktivierung und/oder eine Deaktivierung den zweiten Knoten (34,44) betreffend bewirkt,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptstrang (11) einen ersten Nebenstrang und einen zweiten Nebenstrang (28,29,30) aufweist, dass Knoten (12, 18, 24, 32) im Hauptstrang (11) und in Nebensträngen (13-16, 19-21, 25-27, 33-36) in einer Reihenfolge angeordnet sind, welche einer Hochlaufreihenfolge entsprechen, und dass der erste Knoten (33,41) eine Kommunikationselektronik des zweiten Knotens (34,44) mit elektrischer Energie versorgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationselektronik des zweiten Knotens (34,44) zeitlich begrenzt vom ersten Knoten (33,41) mit elektrischer Energie versorgt wird und eine Energiequelle des zweiten Knotens (34,44) die Energieversorgung der Kommunikationselektronik des zweiten Knotens (34, 44) übernimmt, wenn der erste Knoten (33,41) die Kommunikationselektronik des zweiten Knotens (34,44) nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei die Aktivierung und/oder Deaktivierung eine Standby-Funktionalität des zweiten Knotens (34,44) betrifft.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aktivierung und/oder Deaktivierung befehlsgesteuert erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mittels der elektrischen Energie des ersten Knotens (33,41) ein Schalter zur Versorgung des zweiten Knotens (34,44) mit elektrischer Energie geschalten wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei elektrische Energie zwischen Knoten mittels eines Ethernet-Kabels übertragen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Aktivierung des zweiten Knotens mittels einer Energieübertragung vom ersten Knoten (33,41) zum zweiten Knoten (34,44) erfolgt, wobei die Energie über ein ethernetfähiges Kabel erfolgt, wobei die datentechnische Verbindung zwischen dem ersten Knoten (33,41) und dem zweiten Knoten (34,44) nach und/oder mit der Energieübertragung erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Knoten eines Kommunikationsnetzes des Automatisierungssystems in einer bestimmten Reihenfolge aktiviert werden, wobei die Reihenfolge von einer übergeordneten Steuerung und/oder Regelung (66) vorgegeben wird und dort auch geändert werden kann.
  9. Automatisierungssystem (60), wobei das Automatisierungssystem (60) ein Kommunikationsnetz aufweist, wobei das Kommunikationsnetz eine Vielzahl von Knoten (1, 3-10, 12-16, 18-21, 24-27, 32-36, 41, 44, 51) aufweist, wobei ein erster Knoten (33, 41) mit einem zweiten Knoten (34, 44) datentechnisch verbunden ist, wobei der erste Knoten (33, 41) eine Aktivierung und/oder eine Deaktivierung den zweiten Knoten (34, 44) betreffend bewirkt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Hauptstrang (11) einen ersten Nebenstrang und einen zweiten Nebenstrang (28, 29, 30) aufweist, dass Knoten (12, 18, 24, 32) im Hauptstrang (11) und in Nebensträngen (13-16, 19-21, 25-27, 33-36) in einer Reihen-folge angeordnet sind, welche einer Hochlaufreihenfolge entsprechen, und dass der erste Knoten (33, 41) konfiguriert ist eine Kommunikationselektronik des zweiten Knotens (34, 44) mit elektrischer Energie zu versorgen.
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